多孔金屬氧化物半導體材料的合成及其性能研究.pdf

1、由于具有較高的孔隙率和比表面積，多孔金屬氧化物半導體材料如ZnO、SnO2、MnO等因其優(yōu)異的物理化學性質在氣敏傳感器、鋰離子電池、光催化劑及太陽能電池等領域具有廣泛的應用前景。對于表面電阻控制型氣敏傳感器，具有多孔結構的半導體材料可以為檢測氣體和半導體之間的反應提供更多的接觸面積，這有利于提高器件的靈敏度。同時多孔結構還可以為氣體在半導體層的擴散提供通道，有利于提高響應和恢復速率。對于鋰離子電池電極而言，多孔結構有助于促進活性物質與鋰

2、離子之間的反應，對活性物質體積變化起到緩沖作用，從而提高材料的電化學性能。由此可見，氧化物半導體材料的結構和比表面積對其氣敏和電化學性能具有很大影響。因此，設計和合成具有一定形貌的多孔氧化物半導體材料成為目前半導體材料研究領域的熱點之一。
　　本論文合成了具有多孔結構的ZnO、SnO2和MnO半導體材料，對合成機理和相關性能進行了探討，具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)以乙酸鋅和碳酸銨為主要原料，采用水熱法制備了Zn5(CO3)

3、2(OH)6前驅體，通過煅燒前驅體制備了三維多孔ZnO鳥巢型結構。該鳥巢型結構具有很好的分散性和均勻性，尺寸約為1-3μm，比表面積為36.4m2g-1，每一個鳥巢型結構由二維納米片狀多孔ZnO組成，二維納米片的厚度約為20nm，其表面具有許多不規(guī)則的孔隙結構。這種多孔鳥巢型結構為半導體材料和檢測氣體之間反應提供更多的反應場所，此外，鳥巢型多孔結構還可以為氣體在半導體的吸附脫附提供通道。對制備的鳥巢型多孔ZnO材料進行氣敏性能測試，結果

4、表明三維鳥巢型多孔ZnO對乙醇和丙酮靈敏度高于二維納米片狀結構多孔ZnO材料。
　　(2)以四氯化錫為主要原料，無水甲醇為溶劑，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為表面活性劑，采用溶劑熱工藝制備了前驅體，通過對前驅體熱處理制備出SnO2介孔球。前驅體和分解后產(chǎn)物的形貌和尺寸一致，所制備的SnO2介孔球具有很好的分散性和均勻性，直徑約為500-700nm，比表面積為78.2m2g-1。對SnO2介孔球的生長機理進行了分析，對比實驗表明，反應體

5、系中表面活性劑PVP對SnO2介孔球的物相和孔結構沒有明顯影響，但對產(chǎn)物的分散性和均勻性起到關鍵作用。對SnO2介孔球進行氣敏性能測試，結果表明SnO2介孔球對CO和H2氣敏性能優(yōu)異，靈敏度高于商業(yè)SnO2納米顆粒。
　　(3)以氯金酸為原料，對SnO2介孔球進行修飾，制備了Au修飾的SnO2介孔球。樣品的整體形貌和尺寸在修飾前后沒有發(fā)生明顯的變化，比表面積由78.2m2g-1降為33.6m2g-1。測試結果表明，Au納米顆粒沉積

6、在SnO2表面和孔隙中，尺寸約為5nm。對Au修飾SnO2和SnO2介孔球的氣敏性能進行測試，Au納米顆粒修飾后樣品的氣敏性能在靈敏度和響應速率方面都有很大的提高。一方面是由于SnO2介孔球可以為氣體和氧離子之間的反應提供更多的場所，另一方面是由于Au納米顆粒對檢測氣體和氧離子之間的反應起到催化作用。
　　(4)以乙酸錳和碳酸銨為原料，以PSS為表面活性劑，Na2SO4為靜電穩(wěn)定劑，甘氨酸為絡合劑，室溫條件下采用化學沉淀的方法制備

7、了MnCO3前驅體，通過煅燒MnCO3前驅體制備了多孔Mn2O3微米球，再以吡咯為碳源，在真空條件下對Mn2O3多孔微球進行包碳處理，合成了MnO@C多孔微球。對比實驗結果表明添加劑對MnCO3前驅體的分散性和均勻性有很大影響。對所制備的Mn2O3和MnO@C微球進行電化學性能測試，結果顯示MnO@C的循環(huán)性能明顯優(yōu)于Mn2O3多孔微球。對于MnO@C電極材料，循環(huán)使用60次后其可逆容量依然可以保持在625mAhg-1，而Mn2O3樣品